磁致取向MWCNTs增强环氧复合材料的性能表征及荧光性MWCNTs薄膜可控制备的研究

摘要

碳纳米管的独特一维结构和优异的机械性能、电磁性能等特性，使其广泛应用于诸多领域。然而，碳纳米管因具有较大长径比和相互间较强的范德华力而容易缠结，分散性差且基体界面结合差。大量研究表明，对碳纳米管表面进行有机改性且使其在基体中取向分布是实现提高其分散性和充分发挥其优异特性的一个有效途径。本文结合原子转移自由基聚合(ATRP)法和化学共沉淀法对碳纳米管进行表面化学改性得到了磁性碳纳米管(MWCNTs-Fe3O4)，并制备了磁致取向MWCNTs-Fe3O4增强的环氧复合材料，系统研究了MWCNTs-Fe3O4含量及其取向状态对复合材料力学性能、电性能等的影响机制，同时在荧光标记的基础上，利用真空抽滤法制备了荧光磁性碳纳米管(F&M-MWCNTs)的取向薄膜，研究了不同工艺条件与F&M-MWCNTs取向薄膜结构的关联性。
　　结合ATRP法和化学共沉淀法成功制备了MWCNTs-Fe3O4，进一步在有无磁场的条件下分别制备了取向和无规分布MWCNTs-Fe3O4增强的环氧复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜(OM)等表征手段研究发现，MWCNTs-Fe3O4在树脂基体中具有优异的分散性，其取向度随含量而升高。同时沿取向方向，取向MWCNTs-Fe3O4/环氧复合材料力学性能和电性能均明显高于无规分布MWCNTs-Fe3O4/环氧复合材料，显示了取向MWCNTs-Fe3O4对环氧复合材料的显著增强效应。随MWCNTs-Fe3O4含量增加，环氧复合材料的力学性能和电性能呈上升趋势，这主要归因于MWCNTs-Fe3O4在基体中的高度取向和形成的微网络结构，能承载应力转移，且微网络结构的相互连接促进导电性能。
　　选用荧光分子FTIC对MWCNTs-PGMA进行荧光标记，并结合ATRP法和化学共沉淀法成功制备了具有荧光和磁性的F&M-MWCNTs。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外光谱(UV)、荧光光谱(FM)及振动样品磁强计(VSM)等手段研究表明，F&M-MWCNTs呈现典型零维/一维结合的完整纳米结构，具有绿色的荧光特性和优异的磁响应性。在此基础上，采用真空抽滤法在磁场中进一步制备取向F&M-MWCNTs的薄膜材料，通过扫描电子显微镜(SEM)及激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)对薄膜的形貌、条带状取向结构及明亮的绿色荧光进行表征分析，表明F&M-MWCNTs在浓度1mg/ml以上、超声4小时以及在强度为45-50mT的磁场中取向最佳且可成膜，实现了碳纳米管薄膜的可控制备。